虛擬同步機專欄文章問題整理

02-22

第一篇專欄收到大家的熱情反饋，在此表示感謝，將評論中的代表性問題整理如下，附上我個人的一些理解，供參考。

先回答上次提出的兩個問題：

1. 目前廣泛使用的電力電子變換器的特性是什麼樣的？傳統同步機的動態特性是什麼樣的？

目前風電、光伏等應用的電力電子設備通常工作在MPPT（最大功率點跟蹤）方式，運行時其有功和無功一般控制為恆定值，不隨電網頻率和電壓的變化而變化。同步機由於有勵磁系統和調速系統，因此會主動參與電網頻率和電壓的調節。

2. 為什麼要讓電力電子變換器具有傳統同步機的動態特性？

隨著電力電子變換器在電力系統中比重的增加，如果都只按照給定值出力，不具備調節能力，會惡化系統的調節特性。因此，需要讓電力電子變換器與同步機一樣，具有一定的頻率和電壓調節能力，即具有傳統同步機的動態特性。

評論中的問題匯總

1. 關於虛擬同步機的能量

@羅雨

雖然不是很懂虛擬同步機，但是感覺同步機是多餘的能量轉化為動能以起到緩衝的作用，換流器說是可以模擬同步機特性，但是多餘的能量總歸要有個去處吧，存到電容里存不了太多吧。

@孤情淚

而且虛擬機中能量的存儲的確是給大問題～

虛擬同步機向系統提供有功，需要一定的儲能單元。對於光伏，一般採用外加單獨儲能的方式，對於風機，可以利用風機自身的轉子慣量，再配合加裝一定的儲能。

如果發生短路故障，虛擬同步機與現有新能源一樣，同樣需要進行低穿，多餘的能量可以通過電阻或卸荷電路釋放。

2. 虛擬同步機與下垂控制的關係

@讀博專用小馬甲

我個人認為虛擬同步機和下垂控制的作用是相同的，目前也有文獻證明虛擬同步機和下垂控制是相同的。

@孤情淚

虛擬同步機和下垂控制本質是一樣。。。下垂控制可以理解為一種虛擬同步機的特殊情況。。。而且考慮到低通濾波器，採用下垂控制的方案也是具有虛擬慣性的。。。

文獻中已經證明了下垂控制也具有虛擬慣量，那可以認為二者具有相同的外特性。

所謂虛擬同步機也分好幾個層面， @讀博專用小馬甲提到的，利用電力電子設備感知電網狀態（頻率和電壓），提供有功無功支撐，屬於最廣泛層面的虛擬同步機。鍾老師文章中指的是狹義的虛擬同步機，即完全模擬同步機的控制特性的電力電子變換器。因為同步機是有慣性的，所以按照鍾老師的概念，虛擬同步機中也要有獨立的慣性控制環節，不能簡單用下垂控制等效。

3. 虛擬同步機的經濟性

@讀博專用小馬甲

光伏和風機運營商都希望是滿載發電，這樣能夠提供瞬時支撐功率勢必有限，且有設備過壓過流問題，如果做減載de-loading經濟成本怎麼算？如果是利用專門儲能裝置的話，我個人認為研究重點應該是前級電池，飛輪等設備。

@王若冰

我個人比較關心虛擬同步機的必要性以及經濟性。如果成本太高，國家又強制推行，可能毀掉光伏和風電這2個行業。以及，真的沒有其他辦法了嗎，一定要讓變頻器（逆變器）具備同步電機的特性？

首先說必要性，電力系統調節能力越來越弱，必然要求入網的發電設備都具備調節能力，廣義的虛擬同步機非常有必要。

其次說經濟性，光伏風電運營商都希望多發電，但火電、水電運營商也是一樣的，解決這個問題可以靠市場。多發電的代價是買別人的輔助服務，也就是讓火電、水電等傳統電源預留一部分備用容量，大家多想多發電的後果是誰也發不了電。經濟成本嗎，就留給市場解決吧。

4. 虛擬同步機的阻尼環節D

@馬駒

1、對於虛擬同步機的慣性和阻尼這兩個特性間的關係一直覺得奇妙，通過一些文獻的閱讀，似乎恆定的J體現了慣性能量存儲—即通過虛擬轉子動能的釋放或者吸收維持系統能量守恆，而變化的J體現可以體現D阻尼的作用。如果這樣理解完全正確，直接省略D，是否可以？D究竟有什麼特別的地方。
2、對於頻率控制中阻尼特性的增加，可以抑制頻率波動時的峰值、但延長了頻率到達新的穩定值的時間，這即為「阻尼調頻」，是所希望的，
但是頻率控制的阻尼特性體現在有功追蹤的控制上，就會使得功率輸出追蹤功率指令值的時間增加，這應當並不是所希望的。
因此，虛擬同步機的阻尼特性具體而言究竟體現在哪幾個方面？頻率控制、功率控制，是否還有其他？

1. 按照文獻中的說法，可以。但是上面已經說過了，虛擬同步機的初衷是要模擬同步機，同步機是有阻尼的，所以自然就會有D。另外，文獻中的變J控制工程上並不好用，因為工程上都希望控制參數不要隨意變動。

2. 通過合理設定阻尼值，可以在二者之間有個平衡取捨，但無法兼顧。阻尼特性目前研究中也沒有完全明確，一般而言是指對所有動態調節過程的阻尼，特別地，還包括對振蕩的抑制。

5. 單相逆變器虛擬同步機

@Peterapbang

對於單相系統中的變流器，可否使用虛擬同步機技術為系統提供慣性與阻尼來提高抗擾動能力？對於變流器的阻尼同步機模型的建立如何使dq變換後的各個電量與同步機模型中的變數相對應？

單相的我沒接觸過，可以搜搜文獻。dq軸變換後物理量的對應情況，如果是按照鍾老師文章中的結構，和同步機應該是基本類似的，建議搭個模型試試看。

6. 無功積分係數K物理意義

@Casual

無功環里的積分係數K的物理意義是什麼？感覺不是很理解。

積分環節主要是為了保證無差，即無功參考值、無功實際值和電壓參考值、電壓實際值之間滿足一定的關係，係數K主要是對調節速度的修正，可以理解為無功控制的時間常數。